KR20220152530A - Magnetoresistive sensor element for detecting a two-dimensional magnetic field with low error in a high magnetic field - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 고정된 기준 자화(210)를 갖는 강자성 기준층(21), 외부 자기의 존재 하에서 기준 자화(210)에 대해 자유롭게 배향될 수 있는 감지 자화(230)를 갖는 강자성 감지층(23), 및 기준층 및 강자성 감지층(21, 23) 사이의 터널 장벽층(22)을 포함하고, 기준층(21)은 기준 고정층(211)과 기준 결합층(212) 사이에 기준 커플링층(213)을 포함하며; 기준 결합층(212)은 기준 커플링층(213)과 접촉하는 제1 결합 서브층(214), 제1 결합 서브층(214)과 접촉하는 제2 결합 서브층(215), 제3 결합 서브층(217) 및 제2 및 제3 결합 서브층(215, 217) 사이에 삽입층(216)을 포함하고, 상기 삽입층(216)은 제2 및 제3 결합 서브층(215, 217) 사이에 강자성 교환 커플링을 제공하며; 상기 삽입층(216)은 전이 금속을 포함하고 두께가 약 0.1 내지 약 0.5nm이며, 기준 결합층(212)의 두께는 약 1nm 내지 약 5nm인 2차원 자기장 센서용 자기저항 소자(2)가 제시된다.According to the present invention, a ferromagnetic reference layer 21 having a fixed reference magnetization 210, a ferromagnetic sense layer 23 having a sense magnetization 230 that can be freely oriented relative to the reference magnetization 210 in the presence of an external magnetization , and a tunnel barrier layer 22 between the reference layer and the ferromagnetic sensing layer 21, 23, and the reference layer 21 includes a reference coupling layer 213 between the reference fixed layer 211 and the reference coupling layer 212 contains; The reference bonding layer 212 includes a first bonding sublayer 214 in contact with the reference coupling layer 213, a second bonding sublayer 215 in contact with the first bonding sublayer 214, and a third bonding sublayer. (217) and an intervening layer (216) between the second and third bonding sub-layers (215, 217), wherein the interposing layer (216) is interposed between the second and third bonding sub-layers (215, 217). providing a ferromagnetic exchange coupling; The insertion layer 216 includes a transition metal and has a thickness of about 0.1 to about 0.5 nm, and the thickness of the reference coupling layer 212 is about 1 nm to about 5 nm. do.
Description
본 발명은 고자기장에서 오차가 적은 2차원 자기장을 감지하기 위한 자기저항 센서 소자에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 자기저항 소자를 포함하는 자기장 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetoresistive sensor device for sensing a two-dimensional magnetic field with a small error in a high magnetic field. The present invention also relates to a magnetic field sensor comprising the magnetoresistive element.
터널 자기저항(TMR) 효과에 기초한 자기 센서 소자는 2차원 자기장 감지에 사용될 수 있다. 이러한 자기 센서 소자는 일반적으로 고정된 기준 자화를 갖는 강자성 기준층, 터널 장벽 층 및 자기장의 존재 하에 기준 자화에 대해 자유롭게 배향 가능한 감지 자화를 갖는 강자성 감지층을 포함한다. 기준층은 반강자성층, 커플링 스페이서 층 및 제2 강자성 기준층과 접촉하는 고정된 제1 강자성 기준층을 포함하는 합성 반강자성(SAF) 구조를 포함할 수 있다. 양호한 정확도를 갖기 위해, 자기 센서 소자는 높은 자기장에서 낮은 각도 오차를 가져야 한다.A magnetic sensor element based on the tunnel magnetoresistance (TMR) effect can be used for sensing a two-dimensional magnetic field. These magnetic sensor elements generally include a ferromagnetic reference layer having a fixed reference magnetization, a tunnel barrier layer, and a ferromagnetic sensing layer having a sensing magnetization freely oriented with respect to the reference magnetization in the presence of a magnetic field. The reference layer may include a synthetic antiferromagnetic (SAF) structure comprising an antiferromagnetic layer, a coupling spacer layer, and a fixed first ferromagnetic reference layer in contact with a second ferromagnetic reference layer. To have good accuracy, the magnetic sensor element must have low angular errors in high magnetic fields.
고자기장에서 낮은 각도 오차는 SAF 구조의 강성을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. SAF 구조의 강성을 증가시키는 것은 일반적으로 제1 강자성 기준층 및 제2 강자성 기준층의 두께를 감소시킴으로써 달성된다. 예를 들어, 제1 및 제2 강자성층의 두께는 1.0nm까지 감소될 수 있다. 이로 인해 자기 센서 소자의 포화 자기장(Hsat)이 증가된다. SAF 구조의 자화는 높은 인가 자기장에서 더 안정적(강성)이 된다. 그러나, 제1 및 제2 제1 강자성 기준층의 두께를 감소시키는 것은 자기 센서 소자의 자기 수송 특성에 해롭다. 이러한 얇은 두께로 인해 AF 층과의 피닝(pinning) 손실이 더 초래되고 자기 센서 소자의 TMR 응답이 매우 낮아진다.Low angular errors in high magnetic fields can be achieved by increasing the stiffness of the SAF structure. Increasing the stiffness of the SAF structure is generally achieved by reducing the thickness of the first ferromagnetic reference layer and the second ferromagnetic reference layer. For example, the thickness of the first and second ferromagnetic layers may be reduced to 1.0 nm. Due to this, the saturation magnetic field (H sat ) of the magnetic sensor element is increased. The magnetization of the SAF structure becomes more stable (stiff) at high applied magnetic fields. However, reducing the thickness of the first and second first ferromagnetic reference layers is detrimental to the magnetotransport characteristics of the magnetic sensor element. Due to such a small thickness, pinning loss with the AF layer is further caused and the TMR response of the magnetic sensor element becomes very low.
참조문헌 US2011134563은 자기 고정층, 자기 고정층 위에 위치하는 자유 자성층, 및 터널 장벽층을 포함하는 자기저항 헤드로서, 자기 고정층 및 자유 자성층 중 적어도 하나가 적층 구조를 갖고, 상기 적층 구조는 CoFe 자성층 또는 CoFeB 자성층 및 CoFeB와 Ta, Hf, Zr 및 Nb 중에서 선택된 원소를 포함하는 비정질 자성층 중 하나를 포함하는 결정층을 포함하고, 상기 결정층은 비정질 자성층보다 터널 장벽층에 더 가까이 위치하는 자기저항 헤드에 관한 것이다. Reference document US2011134563 is a magnetoresistive head comprising a magnetic pinned layer, a free magnetic layer disposed on the magnetic pinned layer, and a tunnel barrier layer, wherein at least one of the magnetic pinned layer and the free magnetic layer has a laminated structure, wherein the laminated structure is a CoFe magnetic layer or a CoFeB magnetic layer. and a crystalline layer comprising one of CoFeB and an amorphous magnetic layer comprising an element selected from Ta, Hf, Zr and Nb, wherein the crystalline layer is positioned closer to the tunnel barrier layer than the amorphous magnetic layer. .
참조문헌 US2012257298은 AFM 층, AFM 층 위의 제1 강자성층, 제1 강자성층 위의 제2 강자성층, 제1 강자성층과 제2 강자성층 사이의 AF 결합층, 제2 강자성층 위의 고정층, 고정층에 인접하거나 고정층 내의 삽입층, 고정층 위의 장벽층, 및 장벽층 위의 자유층을 포함하는 TMR 헤드를 기술한다. Reference US2012257298 discloses an AFM layer, a first ferromagnetic layer over the AFM layer, a second ferromagnetic layer over the first ferromagnetic layer, an AF coupling layer between the first and second ferromagnetic layer, a fixed layer over the second ferromagnetic layer, A TMR head is described that includes an insertion layer adjacent to or within the fixed layer, a barrier layer over the fixed layer, and a free layer over the barrier layer.
참조문헌 US202006679는 외부 자기장에 대한 제1 응답 방향을 갖는 제1 자기저항 소자 및 제1 응답 방향과 반대인 외부 자기장에 대한 제2 응답 방향을 갖는 제2 자기저항 소자를 포함하는 재료 스택을 기술한다. 제1 자기저항 소자는 제2 자기저항 소자 아래 또는 위에 배치될 수 있다. 절연층은 제1 및 제2 자기저항 소자를 분리한다.Reference US202006679 describes a material stack comprising a first magnetoresistive element having a first response direction to an external magnetic field and a second magnetoresistive element having a second response direction to an external magnetic field opposite the first response direction. . The first magnetoresistive element may be disposed below or above the second magnetoresistive element. An insulating layer separates the first and second magnetoresistive elements.
참조문헌 US8582253은 AFM 층 위에 높은 스핀 분극 기준층 스택을 갖는 자기 센서를 개시한다. 기준층 스택은 AFM 결합층 위의 제1 무붕소 강자성층; 상기 제1 무붕소 강자성층 상에 접촉하는 자기 결합층; 자기 결합층 상에 증착되고 이와 접촉하는 붕소를 포함하는 제2 강자성층; 및 상기 제2 강자성층 상에 접촉하는 무붕소 제3 강자성층을 포함한다.Reference US8582253 discloses a magnetic sensor having a high spin polarization reference layer stack over an AFM layer. The reference layer stack includes a first boron-free ferromagnetic layer over the AFM bonding layer; a magnetic coupling layer in contact with the first boron-free ferromagnetic layer; a second ferromagnetic layer containing boron deposited on and in contact with the magnetic coupling layer; and a boron-free third ferromagnetic layer in contact with the second ferromagnetic layer.
참조문헌 US2015162525는 기준 자성층, 터널 장벽층, 및 자유 자성층을 포함할 수 있는 자기 터널 접합 메모리 소자를 포함하는 자기 메모리 장치를 개시한다. 기준 자성층은 제1 고정층, 교환 커플링층 및 제2 고정층을 포함할 수 있다. 교환 커플링층은 제1 및 제2 고정층 사이에 위치할 수 있고, 제2 고정층은 강자성층 및 비자성층을 포함할 수 있다. 제2 고정층은 제1 고정층과 터널 장벽층 사이에 있을 수 있고, 터널 장벽층은 기준 자성층과 자유 자성층 사이에 있을 수 있다.Reference US2015162525 discloses a magnetic memory device comprising a magnetic tunnel junction memory element that may include a reference magnetic layer, a tunnel barrier layer, and a free magnetic layer. The reference magnetic layer may include a first pinned layer, an exchange coupling layer, and a second pinned layer. The exchange coupling layer may be located between the first and second fixed layers, and the second fixed layer may include a ferromagnetic layer and a non-magnetic layer. The second pinned layer may be between the first pinned layer and the tunnel barrier layer, and the tunnel barrier layer may be between the reference magnetic layer and the free magnetic layer.
본 발명은 고자기장에서 오차가 적은 2차원 자기장을 감지하기 위한 자기저항 센서 소자 및 상기 자기저항 소자를 포함하는 자기장 센서를 제공하는 것을 목표로 한다.An object of the present invention is to provide a magnetoresistive sensor element for sensing a two-dimensional magnetic field with less error in a high magnetic field and a magnetic field sensor including the magnetoresistive element.
본 개시내용은 고정된 기준 자화를 갖는 강자성 기준층, 외부 자기의 존재 하에서 기준 자화에 대해 자유롭게 배향될 수 있는 감지 자화를 갖는 강자성 감지층, 및 기준층 및 강자성 감지층 사이의 터널 장벽층을 포함하고, 기준층은 기준 고정층과 기준 결합층 사이에 기준 커플링층을 포함하며; 기준 결합층은 기준 커플링층과 접촉하는 제1 결합 서브층, 제1 결합 서브층과 접촉하는 제2 결합 서브층, 제3 결합 서브층 및 제2 및 제3 결합 서브층 사이에 삽입층을 포함하고; 상기 삽입층은 전이 금속을 포함하고 두께가 약 0.1 내지 약 0.5nm이며, 기준 결합층의 두께는 약 1nm 내지 약 5nm인 2차원 자기장 센서용 자기저항 소자에 관한 것이다.The present disclosure includes a ferromagnetic reference layer having a fixed reference magnetization, a ferromagnetic sense layer having a sense magnetization that can be freely oriented with respect to the reference magnetization in the presence of an external magnetization, and a tunnel barrier layer between the reference layer and the ferromagnetic sense layer, the reference layer includes a reference coupling layer between the reference fixed layer and the reference coupling layer; The reference bonding layer includes a first bonding sub-layer in contact with the reference coupling layer, a second bonding sub-layer in contact with the first bonding sub-layer, a third bonding sub-layer, and an interpolation layer between the second and third bonding sub-layers. do; The insertion layer includes a transition metal and has a thickness of about 0.1 to about 0.5 nm, and the thickness of the reference bonding layer is about 1 nm to about 5 nm.
일 실시예에서, 기준 고정층은 CoFe 합금을 포함하고 두께가 2nm이며, 터널 장벽층은 Mg를 포함하고, 삽입층은 Ta를 포함하며, 제1 결합 서브층은 CoFe 합금으로 제조되고 두께가 0.5 nm이며, 제2 결합 서브층은 CoFeB 합금으로 제조되고 두께가 0.75 nm이며, 제3 결합 서브층은 CoFeB 합금으로 제조되고 두께가 0.45 nm 내지 0.95 nm이다. 자기저항 소자는 인가된 약 1T의 자기장 하에서 90분 동안 310℃에서 열처리된다.In one embodiment, the reference pinning layer comprises a CoFe alloy and is 2 nm thick, the tunnel barrier layer comprises Mg, the interstitial layer comprises Ta, and the first bonding sublayer is made of a CoFe alloy and has a thickness of 0.5 nm. , wherein the second bonding sub-layer is made of CoFeB alloy and has a thickness of 0.75 nm, and the third bonding sub-layer is made of CoFeB alloy and has a thickness of 0.45 nm to 0.95 nm. The magnetoresistive element was heat treated at 310° C. for 90 minutes under an applied magnetic field of about 1 T.
본 개시내용은 또한 자기저항 소자를 포함하는 2차원 자기장을 감지하기 위한 자기장 센서에 관한 것이다.The present disclosure also relates to a magnetic field sensor for sensing a two-dimensional magnetic field comprising a magnetoresistive element.
본 명세서에 개시된 자기저항 소자는 높은 포화 자기장(Hsat) 및 TMR 응답을 갖는다. 자기저항 소자는 SAF 기준층의 높은 강성과 향상된 열 안정성을 더 가지고 있다. 자기저항 소자는 높은 자기장에서도 각도 오차를 줄여 정확도를 향상시킨다. 높은 포화 자기장(Hsat), 교환 강성(SAF 커플링) 및 자기저항 소자의 TMR 응답은 SAF 구조의 자성층 두께를 감소시키지 않고도 얻어질 수 있다.The magnetoresistive device disclosed herein has a high saturation magnetic field (H sat ) and TMR response. The magnetoresistive element further possesses the high stiffness and improved thermal stability of the SAF reference layer. The magnetoresistive element improves accuracy by reducing angular errors even in high magnetic fields. High saturation magnetic field (H sat ), exchange stiffness (SAF coupling) and TMR response of the magnetoresistive element can be obtained without reducing the thickness of the magnetic layer of the SAF structure.
본 발명의 내용에 포함됨.included in the context of the present invention.
본 발명은 예로서 제공되고 도면에 의해 예시된 실시예의 설명의 도움으로 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 실시예에 따른 강자성 기준층, 강자성 감지층 및 터널 장벽층을 포함하는 자기저항 소자의 개략도를 도시한다.
도 2는 특정 구성에 따른 감지층의 개략도를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른, 기준 고정층과 기준 결합층 사이에 기준 커플링층을 포함하는 SAF 구조를 포함하는 기준층을 도시한다.
도 4는 자기 포화 자기장과 기준 결합층의 두께 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 자기저항 소자의 저항 면적 곱과 기준 결합층의 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be better understood with the aid of the description of embodiments given by way of example and illustrated by means of drawings.
1 shows a schematic diagram of a magnetoresistive element including a ferromagnetic reference layer, a ferromagnetic sense layer and a tunnel barrier layer according to an embodiment.
2 shows a schematic diagram of a sensing layer according to a particular configuration.
3 illustrates a reference layer including a SAF structure including a reference coupling layer between a reference fixed layer and a reference bonding layer, according to an embodiment.
Figure 4 is a graph showing the relationship between the magnetic saturation magnetic field and the thickness of the reference bonding layer.
5 is a graph showing a relationship between a resistance area product of a magnetoresistive element and a thickness of a reference bonding layer.
도 1은 실시예에 따른 자기저항 소자(2)의 개략도를 도시한다. 자기저항 소자(2)는 강자성 기준층(21), 강자성 감지층(23) 및 기준층과 감지 강자성층(21, 23) 사이의 터널 장벽층(22)을 포함한다. 기준층(21)은 고정된 기준 자화(210)를 갖는 반면 감지층(23)은 외부 자기장(60)의 존재 하에 기준 자화(210)에 대해 자유롭게 배향될 수 있는 감지 자화(230)를 갖는다. 즉, 자기저항 소자(2)가 외부 자기장(60)의 존재 하에 있을 때, 감지 자화(230)가 외부 자기장(60) 방향으로 편향되는 동안 기준 자화(210)는 실질적으로 고정된 채로 있다. 자기저항 소자(2)는 감지층(23) 측의 캡핑층(25) 및 기준층(21) 측의 시드층(27)을 더 포함할 수 있다. 1 shows a schematic diagram of a
캡핑층(25)은 TaN, Ru 또는 Ta의 층을 포함할 수 있다. 캡핑층(25)은 탄탈 니트라이드(TaN), 루테늄(Ru) 또는 탄탈(Ta)의 임의의 층 또는 이들 층의 조합을 포함하는 다층을 포함할 수 있다. 특정 구성에서, 캡핑층(25)은 TaN의 80nm 층, Ru의 5nm 층, TaN의 2nm 층, Ru의 5nm 층, Ta의 2nm 층 및 Ru의 1nm 층을 포함하는 다층을 포함한다. 시드층(27)은 Ta, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf) 또는 마그네슘(Mg) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The
터널 장벽층(22)은 절연 재료를 포함하거나 절연 재료로 형성될 수 있다. 적절한 절연 재료는 산화알루미늄(예를 들어, Al2O3) 및 산화마그네슘(예를 들어, MgO)과 같은 산화물을 포함한다. 터널 장벽층(22)의 두께는 약 1 nm 내지 약 3 nm와 같은 nm 범위일 수 있다. 터널 배리어(22)의 최적 두께는 복수(이중 또는 다중)의 MgO(또는 다른 적절한 산화물 또는 절연 재료)층을 삽입함으로써 얻어질 수 있다. 터널 장벽층(22)은 높은 TMR, 예를 들어 80% 초과를 제공하도록 구성될 수 있다.The
기준층(21) 및 감지층(23)은 자성 재료, 특히 강자성 유형의 자성 재료를 포함하거나 이들로 형성될 수 있다. 강자성 재료는 특정 보자력을 갖는 자화를 특징으로 할 수 있으며, 보자력은 한 방향으로 포화 상태로 구동된 후 자화(230)를 반전시키는 데 필요한 외부 자기장(60)의 크기를 나타낸다. 적합한 강자성 재료는 전이 금속, 희토류 원소 및 주요 그룹의 원소가 있거나 없는 이들의 합금을 포함한다. 예를 들어, 적절한 강자성 재료는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 및 NiFe 또는 CoFe 합금과 같은 이들의 합금; Ni, Fe 및 붕소(B) 기반 합금 및 Co, Fe 및 B 기반 합금을 포함한다. 일부 경우에, Ni 및 Fe(및 선택적으로 B) 기반 합금은 Co 및 Fe(및 선택적으로 B) 기반 합금보다 더 작은 보자력을 가질 수 있다. The
특히, 기준 자화(210) 및 감지 자화(230)는 (도 1에 예시된 바와 같이 평면 내) 기준층(21) 및 감지층(23)의 평면 내에서 실질적으로 배향될 수 있거나 기준층(21) 및 감지층(23)의 평면에 실질적으로 수직(면외, 미도시)인 평면 내에서 배향 가능할 수 있다. In particular,
도 2는 특정 구성에 따른 감지층(23)의 개략도를 도시한다. 감지층(23)은 터널 장벽층(22)과 접촉하는 제1 강자성 감지 서브층(231), 제2 강자성 감지 서브층(232), 및 제1 및 제2 강자성 감지 서브층(231, 232) 사이의 비자성 감지 서브층(233)을 포함한다. 제1 강자성 감지 서브층(231)은 CoFeB 합금, 예를 들어 (CoxFe 1-x)80B20 합금을 포함할 수 있고, 여기서 x = 0.1 내지 0.9이며, 비자성 감지 서브층(233)은 Ta, W, Mo, Ti, Hf, Mg 또는 Al 또는 이들 원소 중 임의의 조합을을 포함한 층을 포함할 수 있고, 제2 강자성 감지 서브층(232)은 낮은 평면 이방성 값을 갖는 연자성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 강자성 감지 서브층(232)은 B 또는 Cr을 포함하는 NiFe 합금 또는 NiFe 합금을 포함할 수 있다. 하나의 특정하지만 제한적이지 않은 양태에서, 감지층(21)의 구조는 다음과 같다: CoFeB1.5/Ta0.3/NiFe4. 여기서, 제1 강자성 감지 서브층(231)은 두께 1.5 nm인 CoFeB 합금을 포함하고, 비자성 감지 서브층(233)은 두께가 0.3nm인 Ta 층을 포함하며, 제2 강자성 감지 서브층(232)은 두께가 4nm인 NiFe 합금을 포함한다. 이러한 감지층(23)은 매우 낮은 이방성 필드(Hk)를 가질 수 있다.2 shows a schematic diagram of the
자기저항 소자(2)는 가령 기준 자화(210)를 저온 임계값에 고정하고 고온 임계값에서 해제하도록 기준층(21)을 교환 커플링하는 반강자성층(24)을 포함할 수 있다. 적합한 반강자성 재료는 이리듐(Ir) 및 Mn(예를 들어, IrMn)을 기반으로 하는 합금과 같은 망간(Mn)을 기반으로 하는 합금; Fe 및 Mn 기반 합금(예를 들어, FeMn); 백금(Pt) 및 Mn 기반 합금(예를 들어, PtMn 또는 CrPdM); Ni 및 Mn 기반 합금(예를 들어, NiMn) 또는 NiO와 같은 산화물을 기반으로 하는 합금을 포함할 수 있다. 반강자성층(24)에 적합한 재료는 NiO와 같은 산화물층을 더 포함할 수 있다. 가능한 구성에서, 반강자성층(24)은 약 4 nm 내지 약 30 nm의 두께를 갖는다. 대안으로, 반강자성층(24)은 각각의 층이 1 내지 10 nm 또는 1 내지 2 nm의 두께를 갖는 다층을 포함할 수 있다. 다른 배열에서, 반강자성층(24)은 예를 들어 중앙 반강자성층보다 낮은 차단 온도(Tb)를 갖는 2개의 반강자성층 사이에 샌드위치된 중앙 반강자성층을 포함하는 3층 배열을 포함할 수 있다. 이러한 3층 배열은 기준층(21)을 프로그래밍할 때 기준 자화(210)를 쉽게 전환할 수 있다. 반강자성층(24)은 하부층(26)에 의해 시드층(27)으로부터 분리될 수 있으며, 여기서 하부층(26)은 Ru, Cu 또는 이들의 질화물을 포함할 수 있다. 하부층(26)은 약 1 nm 내지 약 5 nm의 두께를 가질 수 있다.The
도 3에 도시된 실시예에서, 기준층(21)은 기준 고정층(211)과 기준 결합층(212) 사이에 기준 커플링층(213)을 포함하는 합성 반강자성(SAF) 구조를 포함한다. 기준 고정층(211)은 반강자성층(24)에 의해 고정된다. 기준 결합층(212)은 기준 결합층(213)을 통해 RKKY 결합 메커니즘에 의해 기준 고정층(211)에 결합될 수 있다. 기준 결합층(213)은 Ru, Ir 또는 구리(Cu) 또는 이들의 조합의 비자성층을 포함할 수 있다.In the embodiment shown in FIG. 3 , the
일 양태에서, 기준 결합층(212)은 기준 커플링층(213)과 접촉하는 제1 결합 서브층(214), 제2 결합 서브층(215) 및 제3 결합 서브층(217)을 포함한다. 기준 결합층(212)은 제2 및 제3 결합 서브레이어(215, 217) 사이에 삽입층(216)을 더 포함할 수 있다. In one aspect, the
삽입층(216)은 전이 금속을 포함한다. 삽입층(216)은 Ta, Ti, W, Mo, Hf, Mg 또는 알루미늄(Al) 또는 이들 원소 중 임의의 조합을 포함한다. 대안으로, 삽입층(216)은 Ni, 크롬(Cr), 바나듐(V) 또는 실리콘(Si), 또는 이들 원소 중 임의의 조합을 포함할 수 있다. 삽입층(216)은 비정질 또는 준-비정질 또는 나노결정질일 수 있다.The
삽입층(216)은 두께가 약 0.1 내지 약 0.5 nm일 수 있다. 삽입층(216)의 이러한 두께는 강자성 교환 커플링을 허용하고, 따라서 제2 결합 서브층(215) 및 제3 결합 서브층(217)의 자화 정렬을 서로 평행하게 유지한다. 삽입층(216)은 자기저항 소자(2)의 TMR을 증가시키는 것을 더 허용한다. 예를 들어, 삽입층(216) 없이 약 90%에서 약 120%까지 TMR 증가가 달성될 수 있다. 높은 TMR로 인해 자기저항 소자(2) 응답의 SNR 비가 더 나아지고 자기저항 소자(2) 응답의 분산이 감소된다.The embed
얇은 삽입층(216)은 기준 커플링층(213)의 경계면에서 기준 결합층(212)의 평활도를 보존하거나 심지어 개선할 수 있게 한다. 얇은 삽입층(216)은 (기준 결합층(213)을 통해) 기준 고정층(211)과 기준 결합층(212) 사이의 RKKY 결합을 증가시키고, 따라서 기준 고정층(211) 및 기준 결합층(212)의 강성을 증가시킨다. 높은 RKKY 결합으로 기준 자화(210)가 외부 자기장에 의해 덜 기울어지게 된다. 따라서, 기준 고정층(211)과 기준 결합층(212) 사이의 높은 RKKY 결합은 크기가 큰 외부 자기장(60)을 포함하여 각도 오차를 감소시키고 이에 따라 자기저항 소자(2)의 고자기장 동작 마진을 넓히는 것을 허용한다. 높은 RKKY 커플링은 자기저항 소자(2)의 열적 안정성을 더욱 향상시킨다. 강자성 기준층(21)의 RKKY 커플링 순간 에너지(JRKKY 파라미터)는 약 1erg/cm2이다.The
얇은 삽입층(216)은 기준층(21)의 자기적 특성(예를 들어, 자기 포화 자기장 (Hsat) 및 SAF 결합 교환 자기장(Hex))과 터널 장벽층(22)(예를 들어, TMR)의 전기적 특성 간에 텍스처 전이층(texture transition layer)으로서 더 작용한다.The
두께가 0.1 내지 약 0.5nm인 얇은 삽입층(216)을 포함하는 전이 금속을 포함하는 자기저항 소자(2)는 얇은 삽입층(216)이 없는 자기저항 소자(2)의 포화 자기 장(Hsat)에 비해 포화 자기장(Hsat)을 약 5% 증가시킨다. 삽입층은 자기저항 소자(2)의 TMR을 약 30% 증가시키는 것을 더 허용한다. 높은 TMR은 자기저항 소자(2) 응답의 자기 노이즈 레벨을 감소시키고 다른 자기저항 소자(2) 사이의 자기저항 소자(2) 응답의 분산을 감소시키는 것을 허용한다.The
기준 고정층(211) 및 기준 결합층(212)의 두께를 조절함으로써, 기준층(21)의 SAF 구조는 인가된 자기장 없이 거시적 자화가 널(null)이 되도록 보상될 수 있다.By adjusting the thickness of the reference fixed
일 양태에서, 제1 결합 서브층(214)은 Co 또는 CoFe 합금을 포함한다. 제2 결합 서브층(215) 및 제3 결합 서브층(217)은 Co, Fe, Ni, Cr, V, Si 또는 B, 또는 이들 요소 중 임의의 조합을 포함할 수 있다.In one aspect, the
기준 고정층(211)은 CoFe 합금 또는 Co 또는 CoFe/CoFeB/CoFe 또는 Co/CoFeB/Co 다층 또는 Co, CoFe 및 CoFeB를 포함하는 임의의 다른 층을 포함할 수 있다.The
제2 결합 서브층(215)의 두께는 약 1 nm 미만일 수 있고, 제3 결합 서브층(217)의 두께는 약 1 nm 또는 약 2 nm 미만일 수 있다. 제1 결합 서브층(214)의 두께는 약 1 nm 미만일 수 있다.The
일 양태에서, 제2 결합 서브층(215)은 두께가 제3 결합 서브층(217) 두께의 1배 내지 2배이다.In one aspect, the
일 실시예에서, 기준 결합층(212)의 총 두께는 약 1 nm와 약 5 nm 사이이다. 기준 결합층(212)의 총 두께는 약 1 nm 내지 약 3 nm, 바람직하게는 약 2 nm 내지 약 3 nm일 수 있다.In one embodiment, the total thickness of the
본 명세서에 개시된 기준층(21)은 향상된 SAF 강성을 갖는다. 자기저항 소자(2)는 높은 자기장에서도 낮은 각도 오차를 가지며 열 안정성이 개선되는 동시에 SAF 포화 자기장(Hsat) 및 심지어 증가하는 TMR과 같은 자기저항 소자(2)의 다른 자기 특성에 영향을 미치지 않는다.The
도 4는 자기저항 소자(2)의 자기 포화 자기장(Hsat)과 기준 결합층(212)의 두께 사이의 관계를 보고하는 그래프이다. 포화 자기장(Hsat)은 CoFe 합금을 포함하고 두께가 약 2 nm인 기준 고정층(211)을 포함하는 자기저항 소자(2) 및 예를 들어 자연 또는 플라즈마 산화 공정을 사용하여 산화되는 증착된 금속 Mg를 포함하는 터널 장벽층(22) 상에서 측정되었다. 증착과 산화는 연속적으로 2에서 4회 반복될 수 있다. 자기저항소자(2)는 약 1T의 인가된 자기장 하에서 90분 동안 310℃에서 열처리되었다.4 is a graph reporting the relationship between the magnetic saturation field (H sat ) of the
제1 구성에서, 기준 결합층(212)은 CoFeB 합금으로 제조되고 두께가 약 1.9 nm인 단일층을 포함한다(점). 제2 구성에서, 기준 결합층(212)은 두께가 약 1.9 nm이고 CoFe 합금으로 제조되고 두께가 약 0.5 nm인 제1 결합 서브층(214), CoFeB 합금으로 제조되고 두께가 약 1.4 nm인 제2 결합 서브층(215)을 포함한다(삼각형). 제3 구성에서, 기준 결합층(212)은 두께가 약 0.5nm인 CoFe 합금으로 제조된 제1 결합 서브층(214), 두께가 약 0.75nm인 CoFeB 합금으로 제조된 제2 결합 서브층(216), 두께가 약 0.2 nm인 Ta으로 제조된 삽입층(216) 및 CoFeB 합금으로 제조되고 약 0.45 nm 내지 약 0.95 nm의 다양한 두께를 갖는 제3 결합 서브층(217)을 포함한다(별).In a first configuration,
제1 및 제2 구성과 비교하여, 제3 구성에서, 자기저항 소자(2)는 약 300 Oe(5%)만큼 더 높은 포화 자기장(Hsat)를 갖는다.Compared to the first and second configurations, in the third configuration, the
도 5는 자기저항소자(2)의 저항-면적곱(RA)과 기준 결합층(212)의 두께 사이의 관계를 보고하는 그래프이다. 위에서 설명한 제1, 제2 및 제3 구성(각각 닫힌 점, 삼각형 및 별)에서 자기저항소자(2)에 대해 RA를 측정하였다. 도 5는 자기저항소자(2)의 제1, 제2 및 제3 구성(각각 열린 점, 삼각형 및 별)에 데한 기준 결합층(212)의 두께와 자기저항 소자(2)의 TMR 응답 사이의 관계를 더 보고한다.5 is a graph reporting the relationship between the resistance-area product (RA) of the
도 5에 도시된 바와 같이, 자기저항 소자(2)의 제3 구성은 다른 구성에서 관찰된 TMR과 비교하여 더 높은 TMR 값을 생성한다. 두께가 약 0.65 nm인 제3 결합 서브층(217)을 갖는 제3 구성의 경우, TMR은 약 30% 더 높다. 약 0.45 nm 내지 약 0.95 nm의 두께를 갖는 제3 결합 서브층(217)은 삽입층(216) 없이 약 90%에서 약 140%로 TMR 증가를 가져온다.As shown in Fig. 5, the third configuration of the
2 자기저항소자
21 강자성 기준층
210 기준 자화
211 참조 고정층
212 기준 결합층
213 기준 커플링층
214 제1 결합 서브층
215 제2 결합 서브층
216 삽입층
217 제3 결합 서브층
22 터널 장벽층
23 강자성 감지층
230 감지 자화
231 제1 강자성 감지 서브층
232 제2 강자성 감지 서브층
233 비자성 감지 서브층
24 반강자성층
25 캡핑층
26 하부층
27 시드층
60 외부 자기장
Hex SAF 커플링 교환 자기장
Hk 이방성 자기장
Hsat 포화 자기장
Jex 결합 에너지 밀도
RA 저항-면적곱2 magnetoresistive element
21 ferromagnetic reference layer
210 reference magnetization
211 reference fixed layer
212 standard bonding layer
213 reference coupling layer
214 first bonding sublayer
215 second bonding sublayer
216 insertion layer
217 third bonding sublayer
22 Tunnel barrier layer
23 ferromagnetic sensing layer
230 detect magnetization
231 first ferromagnetic sensing sublayer
232 second ferromagnetic sensing sublayer
233 non-magnetic sensing sublayer
24 antiferromagnetic layer
25 capping layer
26 lower floor
27 seed layer
60 external magnetic field
H ex SAF Coupling Exchange Field
H k anisotropic magnetic field
H sat saturation magnetic field
Jex bond energy density
RA resistance-area product
Claims (6)
기준층(21)은 기준 고정층(211)과 기준 결합층(212) 사이에 기준 커플링층(213)을 포함하며,
기준 결합층(212)은 기준 커플링층(213)과 접촉하는 제1 결합 서브층(214), 제1 결합 서브층(214)과 접촉하는 제2 결합 서브층(215), 제3 결합 서브층(217) 및 제2 및 제3 결합 서브층(215, 217) 사이에 삽입층(216)을 포함하고, 상기 삽입층(216)은 제2 및 제3 결합 서브층(215, 217) 사이에 강자성 교환 커플링을 제공하며;
상기 삽입층(216)은 Ta를 포함하고 두께가 0.2nm이며 기준 결합층(212)의 두께가 1nm 내지 5nm인 2차원 자기장 센서용 자기저항 소자(2)로서,
기준 고정층(211)은 CoFe 합금을 포함하고 두께가 2nm이며, 터널 장벽층(22)은 Mg를 포함하고, 삽입층(216)은 Ta를 포함하고, 제1 결합 서브층(214)은 CoFe 합금으로 제조되고 두께가 0.5 nm이며, 제2 결합 서브층(215)은 CoFeB 합금으로 제조되고 두께가 0.75 nm이며, 제3 결합 서브층(217)은 CoFeB 합금으로 제조되고 두께가 0.45 nm 내지 0.95 nm인 것을 특징으로 하고,
자기저항 소자(2)는 인가된 약 1T의 자기장 하에서 90분 동안 310℃에서 열처리되는 자기저항 소자.A ferromagnetic reference layer 21 having a fixed reference magnetization 210, a ferromagnetic sense layer 23 having a sense magnetization 230 that can be freely oriented with respect to the reference magnetization 210 in the presence of an external magnetization, and a reference layer and ferromagnetic including a tunnel barrier layer 22 between the sensing layers 21 and 23;
The reference layer 21 includes a reference coupling layer 213 between the reference fixed layer 211 and the reference coupling layer 212,
The reference bonding layer 212 includes a first bonding sublayer 214 in contact with the reference coupling layer 213, a second bonding sublayer 215 in contact with the first bonding sublayer 214, and a third bonding sublayer. (217) and an intervening layer (216) between the second and third bonding sub-layers (215, 217), wherein the interposing layer (216) is interposed between the second and third bonding sub-layers (215, 217). providing a ferromagnetic exchange coupling;
The insertion layer 216 includes Ta and has a thickness of 0.2 nm, and the thickness of the reference coupling layer 212 is 1 nm to 5 nm. As a magnetoresistive element 2 for a two-dimensional magnetic field sensor,
The reference pinning layer 211 includes CoFe alloy and has a thickness of 2 nm, the tunnel barrier layer 22 includes Mg, the insertion layer 216 includes Ta, and the first bonding sublayer 214 includes CoFe alloy. and has a thickness of 0.5 nm, the second bonding sub-layer 215 is made of CoFeB alloy and has a thickness of 0.75 nm, and the third bonding sub-layer 217 is made of CoFeB alloy and has a thickness of 0.45 nm to 0.95 nm. characterized in that,
The magnetoresistive element 2 is heat treated at 310° C. for 90 minutes under an applied magnetic field of about 1 T.
삽입층(216)은 비정질 또는 준-비정질 또는 나노결정질인 자기저항 소자.According to claim 1,
The magnetoresistive element in which the insertion layer 216 is amorphous, quasi-amorphous, or nanocrystalline.
제1 결합 서브층(214)은 Co 또는 CoFe 합금을 포함하고 제2 결합 서브층(215)은 CoFeB 합금을 포함하는 자기저항 소자.According to claim 1 or 2,
The magnetoresistive element of claim 1 , wherein the first bonding sublayer (214) comprises Co or a CoFe alloy and the second bonding sublayer (215) comprises a CoFeB alloy.
기준 고정층(211)은 Co, Fe, Ni, Cr, V, Si 또는 B, 또는 이들 원소 중 임의의 조합을 포함할 수 있는 자기저항 소자.According to any one of claims 1 to 3,
The reference fixed layer 211 may include Co, Fe, Ni, Cr, V, Si or B, or any combination of these elements.
제2 결합 서브층(215)은 두께가 제3 결합 서브층(217)의 두께의 1배 내지 2배인 자기저항 소자.According to any one of claims 1 to 4,
The second bonding sub-layer 215 has a thickness of one to two times the thickness of the third bonding sub-layer 217 .
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